Kraftstoffersparnis durch reibreduziertes Pkw-Kolbensystem

KS Kolbenschmidt hat für hochleistungsfähige Ottomotoren sein Liteks-Konzept für besonders reibungsarme Kolbensysteme entwickelt. Der Zulieferer stellte jetzt die fünfte, noch weiter verbesserte Produktgeneration vor. Sie reduziert abermals die Reibung innerhalb des Kolbensystems und erfüllt höchste Ansprüche was Kraftstoffverbräuche, Emissionen, Geräuschentwicklung und Lebensdauer angeht.

Bedeutendes Entwicklungsziel der neuen Kolbengeneration ist die Kombination aus Flexibilität – durch die generell eine bessere Anpassung erreicht werden kann - mit einer gewissen Steifigkeit, die für die Langzeitbeständigkeit des Kolbens notwendig ist. Dabei baut LiteKS 5 auf seinem Vorgängermodell LiteKS 4 auf. Das Konzept erzielt jedoch durch den Einfluss von Schaftsteifigkeiten und des noch weiter optimierten Kolbenprofils eine verbesserte Anpassung des Schaftes an die Zylinderlauffläche. Dies bewirkt eine deutliche Reibungsreduzierung, ohne die Geräuschentwicklung oder die Lebensdauer des Kolbens negativ zu beeinflussen.

Im Motorbetrieb unterliegen Druck- und Gegendruckseite unterschiedlichen Randbedingungen zwischen den Schaftflächen und dem Zylinder. Diese Randbedingungen spiegeln sich in größeren beziehungsweise kleineren Abstützzonen wider. So können die unterschiedlichen Kräfte aufgenommen werden und der Kolben bleibt gleichzeitig flexibel genug, um die hydrodynamische Kraft zu minimieren. Die verbesserte Anpassung an die Zylinderlauffläche resultiert in einer Reduzierung um bis zu zwanzig Prozent des Reibverlustes am Kolbenschaft. Dies macht sich auch in einer Kraftstoffersparnis von rund einem Prozent im WLTP-Zyklus im Vergleich zur Serienreferenz bemerkbar.

Um die definierten Reibungsziele des Kolbens in Verbindung mit der neuesten Produktgeneration zu erreichen wurden bereits zu Beginn der Entwicklungsphase zahlreiche elasto-hydrodynamische Mehrkörpersimulationen durchgeführt. Der Fokus lag dabei auf einer robusten Lösung, die Reibung und Lebensdauer gleichermaßen berücksichtigt. Die ersten Prototypen der neuen Kolbengeneration wurden in einem Floating-Liner-Motor untersucht und konnten die Reibungsvorteile belegen. Unter Teillast-Bedingungen, die für den Realbetrieb von großer Bedeutung sind, reduzierte sich die Reibleistung um rund 15 Prozent im Durchschnitt.

Um die tatsächliche CO2-Einsparung zu quantifizieren, wurden die Messergebnisse des Floating-Liner-Motors und der elasto-hydrodynamischen Mehrkörpersimulationen des LiteKS 5 Konzepts in einem Fahrzeug der Klasse C im WLTP und im FTP-75 simuliert. Die Ergebnisse zeigten den oben genannten Gewinn von rund einem Prozent. Die Vergleichswerte stammten dabei aus einer Serienreferenz und den Ergebnissen der Vorgängergeneration Liteks-4 aus den vergangenen Jahren. Sie wurden außerdem durch Messungen eines internationalen OEMs bestätigt.

Zur Erfüllung moderner CO2-Gesetzgebungen sind aktuell neben reibungsoptimierten Kolben glatte Zylinderoberflächen in der Serienanwendung. Sie ermöglichen in Verbindung mit Kolbenringen, welche mit einer Hartstoffbeschichtung wie beispielsweise Diamond Like Carbon (DLC) versehen sind, eine deutliche Reibreduzierung im Motorkennfeld. Die reibungsarmen Kolbenringe wurden gemeinsam mit dem Allianzpartner Riken entwickelt und stehen kurz vor dem Serienstart. Im Vergleich zur heutigen Serie zeichnet sich das optimierte Kolbensystem mit der Kombination aus Kolben und Ringen durch weitere CO2 Einsparpotentiale bei gleichbleibend niedrigem Ölverbrauch aus.

Kolbensysteme nach dem LiteKS-Leichtbaukonzept befinden sich mittlerweile für mehrere Motorenanwendungen in der Serienfreigabe oder stehen unmittelbar vor dem Serienstart. Insgesamt wurden seit der Markteinführung des LiteKS-Konzepts im Jahr 2006 bis heute mehr als 120 Millionen LiteKS Kolben weltweit in Motoren verbaut und tragen seither zu einer Verbesserung des Schadstoffausstoßes bei.